糖化学推动的嵌段共聚物的自组装研究

Quite a few methods have been employed to induce self-assembly of block copolymers in solution. The classical selective solvent method and use of responsive blocks have attracted a lot of attention. Compared to the two methods, that block copolymer self-assembly induced by chemical reactions is less developed. In this project, for the first time we plan to introduce carbohydrate chemistry, especially the protective group chemistry in oligosaccharide synthesis to macromolecular self-assembly, i.e. using deprotection reactions to induce the self-assembly of sugar-containing block copolymers in organic solvent. Then by switching the solvent, the self-assembled nano-objects can adjust their morphology or even re-assemble. Because of the complexcity of chemical structure of sugars, protection and deprotection reaction in preparation of glycopolymer is inevitable, if a distinctive anomeric linkage is desired. Thus by combining the deprotection and self-assembly process, we will be able to realize effective control on the self-assemble process kinetically and thermodynamically via using different protective groups and deprotection conditions. In short, this project is expected not only to open a new avenue for chemical-reaction-induced self-assembly of block copolymers,but also to gain deeper understanding of the effects of the various structural factors of sugar units on the self-assemble behavior of the block copolymer in solution.

诱导嵌段共聚物溶液自组装的途径有多种，包括传统的选择性溶剂和利用嵌段的环境敏感性等方法。与之相比，通过化学反应诱导嵌段共聚物自组装的方法发展得不够充分。本课题首次提出将糖化学，特别是寡糖合成的保护基化学引入自组装，即利用糖的脱保护反应诱导糖嵌段共聚物在有机溶剂中组装。随后通过选择性溶剂切换法，诱导组装体进行形貌调整或二次组装。由于糖分子本身的结构复杂性，目前制备多种立体化学明确的糖聚合物必须通过保护-脱保护过程。本课题将脱保护与自组装结合，可充分利用保护基的多样性和相应反应条件的可控性，从热力学或动力学等方面控制组装体的形成过程和组装体形貌。这样，本课题不仅能够基于糖化学发展化学反应诱导嵌段共聚物自组装的全新途径，更可对糖单元的特有结构因素对嵌段共聚物自组装的影响获得深入的理解。

按照研究计划，本课题首次提出将糖化学，特别是寡糖合成的保护基化学引入自组装，即利用糖的脱保护反应诱导糖嵌段共聚物在有机溶剂中组装。随后通过选择性溶剂切换法，诱导组装体进行形貌调整或二次组装。在过去4年中，我们按照计划开展研究工作，首先以含乙酰基保护基的含糖嵌段共聚物为模型，在THF中加入四丁基氢氧化铵，实现了脱保护引发自组装过程和溶剂切换后的形貌调整。随后，再使用分别以苯甲酰基和乙酰基为保护基的聚合物对，在具有相同的聚合物骨架、相似的糖段聚合度，并采用相同实验条件时，研究其给出不同的组装过程动力学和组装体形貌。同时，我们对不同保护基本身对于聚合物自组装过程的影响也做了考察。最后，我们成功将脱保护引发自组装(Deprotection-Induced glycopolymer Self-Assembly, DISA)这一原创性概念推广到水体系，利用带有乙酰基保护的糖嵌段作为囊泡的壁，以脂酶作为脱保护试剂，能实现脱保护引发的组装体形貌转变和所装载抗原的可控释放。当囊泡进入细胞并到达溶酶体后，溶酶体内的脂酶可行使脱保护的功能，引发囊泡到胶束的形貌转变和抗原释放。同时，树突状细胞对T细胞的抗原提呈效率也有了显著提升。考虑到乙酰化是常见的生物大分子动态修饰，上述结果提示DISA在抗肿瘤疫苗和佐剂方面的应用前景。DISA概念的推广和在免疫学方面的潜在应用超出了原计划书的预期，成为新的研究生长点。四年来，本项目的主要研究内容共发表文章5篇，包括 2篇J. Am. Chem. Soc.，1篇ACS Macro Letters，1篇Macromolecules，1篇Biomacromolcules 。另有多篇文章标注了本基金号。J. Am. Chem. Soc.文章被选为2016年9月当期封面。最为重要的是，依托本项目，我们成功建立了“脱保护引发自组装(Deprotection-Induced glycopolymer Self-Assembly, DISA)”这一原创性概念，2018年发表的J. Am. Chem. Soc.即以此为题。